汽车随动尾翼行进提升机理与调控作用研究

汽车随动尾翼行进提升机理与调控作用研究

刘玮 ,张培东

长城汽车股份有限公司 河北保定 071000

【摘要】在人类的工业化进程中，车辆在我们的现代生活中变得日益突出。随着汽车的问世，一百多年的发展，汽车技术不断进步，车辆的速度、品种、数量都在不断增加。随着我国汽车工业的迅速发展，汽车业也面临着许多问题。车速的增加会使车辆在行驶过程中受到的阻力和提升力急剧增加。随着世界上小轿车数量的快速增长，造成了大量的能源和环境问题。同时，过大的升力导致汽车行车时的操作稳定性下降，从而使车辆在行驶过程中出现“发飘”、“失稳”等问题，严重地威胁着车辆的行驶安全。针对车辆速度增大所引起的各种问题，本论文主要对汽车随动尾翼行进提升机理与调控作用进行了探讨。

关键词：升力控制，前后对称尾翼，迎角，随动尾翼

0.引言

当前，我国的汽车最大时速已达200km/h。在车辆速度持续增加的今天，车辆的“发飘”和“失稳”问题已经成为人们普遍关心的问题，尤其是在轻型技术的发展与推广下，车辆自身重量的降低使得以前由汽车自重抵消升力的效果越来越小。通过对风道的试验，发现在时速100km/h的情况下，轮胎与地板的粘合能力会降低1/10；在时速150km的情况下，轮胎与地板的粘合能力会降低1/4；当车辆时速达到200km时，轮胎与地板的粘合程度会降低一半。多年以来人们不断的在汽车上增加气动附件来减少车身的气动升力系数以提高汽车高速时的操纵稳定性，比如前后负升力翼、前阻流板、后扰流器等等。把车辆的前部和后部的高度、车身与地板之间的间距等都能使气流在高速运动中向下施加一个向下的压力，从而减小车辆的升力。

1.汽车随动尾翼行进提升机理

为了满足人们对汽车气动阻力系数越来越低的要求，车辆的外形也逐渐变得更加流畅，但这也使得车辆在高速行驶时对侧面气流的反应更加灵敏。并且轻量化的趋势也使气动升力对汽车操纵稳定性的影响越来越大。升力对汽车的操控性有很大的作用，其结果是：由于升力太大，导致了车轮对地面的承受能力下降，从而导致车辆的横向最大附着能力和侧偏刚度降低。

车辆在直线上行进时，常常会被侧向力所影响。侧向力的来源有很多，例如：道路倾斜引起侧身倾斜、侧风、超车过程中来自旁边车辆的干扰而受到的气动侧向力等等。如果一辆车在高速上遇到一股强烈的侧风，且风向与汽车行驶速度的方向大于90度，那么它就会使流过车身的空气流速大大增加，同时也会对它造成一定的侧向推力。提升力太大会导致轮胎的侧倾刚性下降，加剧车辆的侧倾。而司机则需要不停的打方向盘来调整车辆的行进轨迹，以保证车辆在正确的方向上行驶。长期运行会加重司机的疲劳，对行车的安全性造成威胁。此外，若侧面风力对车辆的侧向力太大，超出了轮胎的最大横向附着力，则会导致车轮发生侧滑，对于高速车辆来说是很危险的。通常车辆的风压中心位于车辆的重心前方，以提高车辆侧面的风向稳定性。当汽车采取前驱时，前轮所受的升力也比较大。现在汽车的外形都设计成前低后高的姿态，这样可以降低车辆在高速下所带来的空气动力，如果前轮的升力大于后轮，那么发动机就会有向上的倾向，这会加大汽车产生的升力不利于汽车的安全行驶。

空气动力对车辆的线性运动也有一定的作用。这是由于提升力降低了轮胎与地板的接触，降低了与轮胎的切线阻力。这种切线的反作用是驱动车子向前的最大推力。

气动升力对汽车直线行驶的影响还表现在影响汽车的驱动性能上。举例来说，在车辆转向过程中，由于车辆的升力太大，导致其侧倾刚性下降，导致车辆的操纵能力下降。同时，过度的提升也会降低轮胎与路面的最大附着力，从而导致车辆发生侧倾等事故。当车辆在进行转向时，由于前轮的升力太大，导致前轮的转向力度不够，从而对车辆的操纵性能产生很大的不利作用。过度的空气动力提升还会对车辆的转向能力产生一定的影响，尤其是在时速80公里以上。

总之，过大的升力会减小汽车抵抗侧向力干扰的能力，从而影响车辆的驾驶行为，减少车辆的转弯、换车道等安全，从而对车辆在高速行驶中产生不良的作用。然而，许多时候，汽车的升力并不足以对车辆的安全和驾驶产生任何的不利作用。比如，当车辆在低速行驶时，在车厢内的人比较多、体重比较大时，车辆的油罐内有大量的行李、杂物等。这时，车辆所释放出的升力，可以减轻车辆的重量，从而减轻车辆的重量。

2.存在的问题

关于如何减小车辆的升力，已经有很多的理论和实际工作。但主要是为了减少车辆的升力，就连最近几年才有的变化，也是为了调节尾部的气压。不过，有时候汽车是需要有一定的升力的，当车辆重量太大的时候，一定量的提升力可以减轻车辆对车体的下压，从而减轻车辆对车体的重量。这时候的升力是有利的，当车辆在提升的过程中，可以通过调节发动机的升力来达到节约能源和减少排放。

3.汽车随动尾翼行进提升调控作用分析

3.1尾翼产生升力的原理

尾翼产生升力的原理可以用一个比较简单的理论来解释。尾翼的上下表面存在几何差，而翼面向上的隆起量大于下部。气流经过尾翼前端后，分为两个方向，分别沿着尾翼的上下表面流过。在翼型表面曲率的影响下，上部的流线管道要比下部的流道要薄、气体流动速率高、压强低，也就是说P

2的流量要比P1高，这样就会形成一个向下的压差，也就形成了升力。综上所述，尾翼产生升力的原理是流过尾翼上表面的气流速度大于流过尾翼下表面的气流速度，所以造成了翼面空气的气压低于尾翼下表面的气压，因此，使尾翼上下表面存在一个压差从而形成一个向上的力，这就造成了一个上升的作用力。

当尾翼弦长与来流的速度有一个角度时(尾翼有一个正迎角)相同气流速度的情况下尾翼产生的升力更大。在有迎角时，尾翼上部的凸起更加明显，而空气管道也会受到压缩。根据质量守恒定律或者连续方程，在这个过程中，空气流动的速率变得更快，上面的气压变得更低，而升力也更大。因此，尾翼迎角的存在也能形成尾翼上下表面气流速度的差异，从而使尾翼上下表面产生压力差，即尾翼产生升力。正迎角有向上升的倾向，而在负向向的方向则有向负向的方向发展。负迎角这个负升力因素与图中尾翼上下表面几何差这个正升力因素相抵消，从而减少了飞机的上升力。综合以上所述，飞机的前、后两个平面的外形差异和两个前缘的迎角都会造成两个不同的空气流速差异，从而形成尾翼上下表面压力差，形成升力。

3.2上下对称汽车尾翼使用效果

通过提高尾翼上曲面的曲率半径来提高空气流动的流速，会使尾翼的垂直方向和垂直方向呈垂直方向，使尾翼下部的弯曲半径和流经尾翼下方的空气流动速率都有所提高，从而使尾翼的上升和下降两个方向互相抵消，没有显著提高。因此，我们必须不断地研究另外一种尾翼来改善飞机的升力。

3.3前后对称翼型的调控升力的原理

上下对称翼型调控升力的原理是去掉了翼型上下表面几何差这个因素，而只利用尾翼的迎角来调节尾翼的升力。去除了翼型上下表面几何差，就会降低其对升力的控制力。要想提升尾部的升力，就必须要同时具备尾翼上下表面几何差和尾翼迎角这两个因素。

由于尾翼的前缘是产生升力的，因此可以通过改进尾部的转动方式来设计前后对称的车辆尾部。第二个设计的主要目的是在尾翼向下施加压力的同时，让尾部有一个很大角度的旋转，将原本尾翼的上表面转到下表面，原本的下表面转到上表面。这也是为什么在大角度的情况下，尾翼前缘就转为尾翼后缘，而原本的后缘就转为前缘。

3.4前后对称尾翼在汽车尾部控制升力的分析

通过在尾翼两端安装上部端叶来改进翼尖涡流对调节车辆的升力特性的作用，并对其进行了应用分析。当车辆在高速运动过程中，升力增大时，可以调节发动机的尾翼为-15°和-20°，从而使发动机的后部得到更大的负升，以确保车辆的安全运行中不会受到升力提升的影响；当车辆在没有被强大的横向力干扰的情况下，只在高速下的提升力使车辆下压不够充分，从而降低了车轮与地面的附着力，从而降低了车辆在运行中的动力和运行的稳定性，这时，可以将车辆的尾部的迎角调节为0度（下弯），在这个角度上，车辆的升力因子为0.0019，几乎为0，从而消除了升力的扰动，提高了车辆的动力性能和运行的稳定性；当车厢内有大量旅客或行李，且车辆本身有一定的自重，升力不会对车辆运行和动力产生影响，则可以将尾部的迎角调节至8度，使车辆在此方向上获得0.1888升力，从而实现能源节约和减少排放。

4.结束语

综上所述，在以往的研究中，多采用气动辅助装置降低车辆在高速状态下的升力，本文在已有研究成果的基础上，首先采用了两种不同的尾翼，即采用了前后两种不同的形状，并通过改变后的尾翼来控制升力的大小和方向。本文通过对汽车尾翼的升力调节机制及规律的研究，构造了前后对称随动尾翼。为了克服翼尖涡流的干扰，在其两端都装有一个端板，并且可以用来控制车辆的升力。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2013.

[2]谢群,宋禹田.轻量化是汽车工业可持续发展的保证[J].轻合金加工技术,2013,41(12):14-16.

[3]王彩琴.全球高速公路建设发展概况[J].交通企业管理,2006,30(3):53-54.

[4]彭金栓,徐磊,邵毅明.汽车主动安全技术现状及发展趋势[J].公路与汽运,2014,160(1):1-4.

[5]毕清磊.汽车电子技术的应用与发展[J].汽车工业研究,2015,(10):48-51.

[6]杨盼盼.汽车未来行驶车速预测[D].重庆:重庆大学,2015.

[7]王丽红,孙毅成.浅析汽车节能技术的发展[J].工业研究,2012,(9):21-23.